開關(guān)電源工作原理及電路圖

2018-03-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文以豐富的開關(guān)電源案例分析,介紹單端正激式開關(guān)電源,自激式開關(guān)電源,推挽式開關(guān)電源、降壓式開關(guān)電源、升壓式開關(guān)電源和反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源。

隨著全球?qū)δ茉磫栴}的重視,電子產(chǎn)品的耗能問題將愈來愈突出,如何降低其待機(jī)功耗,提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠,但它存在著效率低(只有40%-50%)、體積大、銅鐵消耗量大,工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點(diǎn)。為了提高效率,人們研制出了開關(guān)式穩(wěn)壓電源,它的效率可達(dá)85%以上,穩(wěn)壓范圍寬,除此之外,還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點(diǎn),是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因為如此,開關(guān)式穩(wěn)壓電源已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中,本文對各類開關(guān)電源的工作原理作一闡述。

一、開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理

開關(guān)式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種,在實(shí)際的應(yīng)用中,調(diào)寬式使用得較多,在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中,絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。因此下面就主要介紹調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源。

調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理可參見下圖。

對于單極性矩形脈沖來說,其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度,脈沖越寬,其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓U?？捎晒接嬎?

即Uo=Um×T1/T

式中Um為矩形脈沖最大電壓值;T為矩形脈沖周期;T1為矩形脈沖寬度。

從上式可以看出,當(dāng)Um與T不變時,直流平均電壓Uo將與脈沖寬度T1成正比。這樣,只要我們設(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄,就可以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。

二、開關(guān)式穩(wěn)壓電源的原理電路

1、基本電路

圖二開關(guān)電源基本電路框圖

開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如圖二所示。

交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后,變成含有一定脈動成份的直流電壓,該電壓進(jìn)人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波,最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?br />
控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器,它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化,制成了各種開關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例,以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

2.單端反激式開關(guān)電源

單端反激式開關(guān)電源的典型電路如圖三所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激,是指當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時,高頻變壓器T初級繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù),整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài),在初級繞組中儲存能量。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時,變壓器T初級繞組中存儲的能量,通過次級繞組及VD1整流和電容C濾波后向負(fù)載輸出。

單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路,輸出功率為20-100W,可以同時輸出不同的電壓,且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點(diǎn)是輸出的紋波電壓較大,外特性差,適用于相對固定的負(fù)載。

單端反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍,工作頻率在20-200kHz之間。

3.單端正激式開關(guān)電源

單端正激式開關(guān)電源的典型電路如圖四所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似,但工作情形不同。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時,VD2也導(dǎo)通,這時電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量,濾波電感L儲存能量;當(dāng)開關(guān)管VT1截止時,電感L通過續(xù)流二極管VD3繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。

在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD2,它可以將開關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件,即磁通建立和復(fù)位時間應(yīng)相等,所以電路中脈沖的占空比不能大于50%。由于這種電路在開關(guān)管VT1導(dǎo)通時,通過變壓器向負(fù)載傳送能量,所以輸出功率范圍大,可輸出50-200W的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積也較大,正因為這個原因,這種電路的實(shí)際應(yīng)用較少。

4.自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源

自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖五所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的開關(guān)電源,也是目前廣泛使用的基本電源之一。

當(dāng)接入電源后在R1給開關(guān)管VT1提供啟動電流,使VT1開始導(dǎo)通,其集電極電流Ic在L1中線性增長,在L2中感應(yīng)出使VT1基極為正,發(fā)射極為負(fù)的正反饋電壓,使VT1很快飽和。與此同時,感應(yīng)電壓給C1充電,隨著C1充電電壓的增高,VT1基極電位逐漸變低,致使VT1退出飽和區(qū),Ic開始減小,在L2中感應(yīng)出使VT1基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電壓,使VT1迅速截止,這時二極管VD1導(dǎo)通,高頻變壓器T初級繞組中的儲能釋放給負(fù)載。在VT1截止時,L2中沒有感應(yīng)電壓,直流供電輸人電壓又經(jīng)R1給C1反向充電,逐漸提高VT1基極電位,使其重新導(dǎo)通,再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到飽和狀態(tài),電路就這樣重復(fù)振蕩下去。這里就像單端反激式開關(guān)電源那樣,由變壓器T的次級繞組向負(fù)載輸出所需要的電壓。

自激式開關(guān)電源中的開關(guān)管起著開關(guān)及振蕩的雙重作從,也省去了控制電路。電路中由于負(fù)載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài),具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點(diǎn)。這種電路不僅適用于大功率電源,亦適用于小功率電源。

5.推挽式開關(guān)電源

推挽式開關(guān)電源的典型電路如圖六所示。它屬于雙端式變換電路,高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。電路使用兩個開關(guān)管VT1和VT2,兩個開關(guān)管在外激勵方波信號的控制下交替的導(dǎo)通與截止,在變壓器T次級統(tǒng)組得到方波電壓,經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?

這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個開關(guān)管容易驅(qū)動,主要缺點(diǎn)是開關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大,一般在100-500W范圍內(nèi)。

6.降壓式開關(guān)電源

降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖七所示。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時,二極管VD1截止,輸人的整流電壓經(jīng)VT1和L向C充電,這一電流使電感L中的儲能增加。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時,電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓,經(jīng)負(fù)載RL和續(xù)流二極管VD1釋放電感L中存儲的能量,維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。

這種電路使用元件少,它同下面介紹的另外兩種電路一樣,只需要利用電感、電容和二極管即可實(shí)現(xiàn)。

7.升壓式開關(guān)電源

升壓式開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如圖八所示。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時,電感L儲存能量。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時,電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓,該電壓疊加在輸人電壓上,經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電,使輸出電壓大于輸人電壓,形成升壓式開關(guān)電源。

8.反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源

反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源的典型電路如圖九所示。這種電路又稱為升降壓式開關(guān)電源。無論開關(guān)管VT1之前的脈動直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓,電路均能正常工作。

當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時,電感L儲存能量,二極管VD1截止,負(fù)載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時,電感L中的電流繼續(xù)流通,并感應(yīng)出上負(fù)下正的電壓,經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電,同時給電容C充電。

以上介紹了脈沖寬度調(diào)制式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理和各種電路類型,在實(shí)際應(yīng)用中,會有各種各樣的實(shí)際控制電路,但無論怎樣,也都是在這些基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。

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